고지 재생 폐수 처리를 위한 순산소 활성슬러지 공정에서의

혐기성 선택조의 효율

이수철, 김동진

한림대학교 환경학과

Effect of Anaerobic Selector on pure Oxygen Activated Sludge

process for paper regeneration wastewater treatment

Soo-Choul Lee, Dong-Jin Kim

Department of Environmental Science, Hallym University

서론

제지 산업은 전형적인 용수 다소비형 산업으로 제지 폐수 방류량은 국내 전 산업 폐수 방류량의 15%를 상회하고 있으며 사용하는 원료에 따라  BOD가 200에서 2000ppm 이상으로 유량뿐만 아니라 농도도 높고 고지 재생 공정은 난분해성 물질을 많이 함유하고 있어 고지 이용의 경제적인 장점에도 불구하고 환경적으로 큰 부담이 되며 기존 기술로는 효과적인 처리가 이루어지지 않거나 처리 비용이 너무 많이 들어 경제성을 잃을 가능성이 높다.

제지 폐수 처리에 가장 많이 이용되는 활성슬러지법을 기초로한 밀폐형 순산소 공정은 고순도의 산소를 이용, 산소의 분압이 공기에 비해 약 5배 높아 산소 전달 속도가 빠르며 미생물 농도를 높게 유지 할 수 있어 유기물 부하가 높은 폐수 처리에 적합하다. 밀폐형 순산소 공정은 활성슬러지법에 비해 부피당 폐수처리 속도가 빨라 장치가 compact 해지고 잉여슬러지의 축소, 난분해성 물질의 산화분해를 촉진시킬 수 있다. 또한 밀폐형이므로 VOC나 악취의 발생등을 방지하며, 산소 이용 효율을 90% 수준까지 높일 수 있으며 잉여슬러지 발생량이 공기를 사용하는 경우에 비해 적은 장점을 갖고 있다.

이에 반해 산소 생산 비용이 비교적 고가이며, 폐수에 미생물 활동 저해 물질이 유입될 경우 filamentous microorganism이 과잉 번식하여 bulking을 유발하거나 MLSS농도를 높게 유지하는 경우 슬러지 침전성이 나빠지는 단점등이 있다.

본 연구의 목적은 이러한 밀폐형 순산소 활성슬러지 공법에 혐기성 선택조(anaerobic selector)를 설치하여 유입 COD load, DO 농도, pH, SRT, 온도, 반송슬러지량 등의 최적 조건을 찾아 selector의 효율을 극대화시켜 filamentous microorganism의 과잉 번식을 억제, 슬러지 침전성을 향상시키는데 있다.

실험장치 및 방법

본 연구에서 사용된 장치를 Figure 1.에 나타내었다. 장치는 크게 3부분으로 나누어지는데 anaerobic selector는 직경 5□, 높이 20□ 인 아크릴 소재의 원형관으로 제작되었다. selector는 내부에 경사판을 설치하여 반응기 내의 short-circuiting을 방지하였으며 magnetic stirrer를 이용하여 교반 하였다. bioreactor는 밀폐형으로써 직경 10□, 높이 50□의 아크릴 소재의 원형관으로 working volume이 3.4L 이고 4개의 baffle과 200rpm 까지 가능한 교반기를 설치하여 교반효과를 높였다. 또한 vent로 부터의 산소 배출 농도를 측정하기 위한 O2 gas monitor를 설치하였고 pH controller를 이용, 1N NaOH로 pH를 조절하였다. 산소는 고순도의 산소를 이용하고 mass flow meter로 유입 산소량을 측정하였다. 침전조는 넓이 25.2□, 깊이 100□로써 Volume이 2.5L이고 반송슬러지는 펌프에 의해 반송비(R) 0.7 전후로 selector에 반송되도록 하였다.

본 실험에서 사용한 폐수는 C 제지 업체에서 발생되는 폐수를 이용하였는데, COD 150∼1100mg/L, SS 50∼250mg/L로 재생되는 폐지의 성분, 운전 조건에 따라 큰 차이를 보였으며 질소원은 Ammonium Chloride (NH4Cl) 50N-mg/L, 인은 Potassium phosphate (KH2PO4) 10P-mg/L 로 넣어 주었다. 유입수 유량은 정량펌프를 이용하여 평균 320 (100∼610)mL/hr로 운전하였으며 selector와 bioreactor에서의 평균 HRT는 각각 73min, 10hour로 운전되었다.

분석 방법은 Standard Method에 준하였고, COD는 CODcr로써 Closed Reflux, Colorimetric Method를 이용하였다.

결과 및 토론

Figure 2.는 장치의 운전 시작 후 100일 부터의 유입수 Soluble COD load에 따른 selector에서와 유출수의  Soluble COD제거율을 나타낸 그림이다. 실험기간 중 평균 COD load는 1.65 (0.42∼3.37)kg/m3·day이고  평균 Soluble COD load는 1.28 (0.28∼2.76)kg/m3·day로써 Soluble COD가 차지하는 비율은 전체 COD에 대해 약 75∼80%범위 였다.

제지회사의 재생하는 폐지의 성상, 운전조건 등에 따라 원수의 변동폭이 컸으며 이에 따라 실험에 가해지는 COD load도 큰 변화 폭을 나타내었다.

실험기간 중 전체 COD제거율은 77.5 (52∼95)% 이고  Soluble COD 제거율은 81 (62∼91)% 로 나타났다. selector에서의 Soluble COD 제거율은 43.7 (24.8∼74.8)%로 전체 제거율과 비례하며, 전체 처리효율의 50%이상이 selector에서 제거됨을 확인 할 수 있었다.

활성슬러지 공정에서의 bulking은 과대번성한 filamentous microorganism에 의해 반응조내의 생물학적 floc이 팽창되어 느슨하게 뭉쳐져 슬러지의 침전성을 저하시킨다.

활성슬러지 공정에서 bulking을 야기하는 filamentous microorganism의 형태로는 낮은 DO농도일 때 type 1701, S. natans, H. hydrossis. 낮은 F/M일 때 M. parvicella, H. hydrossis, Nocardia sp types 021N, 0041, 0675, 0092, 0581, 0961, 0803. Nutrient 결핍시 Thiothrix sp., S. natans, type 021N, and possibly H. hydrossis and types 0041 and 0675. 낮은 pH일 때 fungi등으로 보고되고 있다.

실험기간중 COD load에 따른 MLSS의 관계는 서로 비례하는 경향을 보였으며 MLSS와 SVI(Sludge Volume Index)의 관계는 서로 반비례하여 높은 MLSS 농도일 수록 낮은 SVI값을 나타냈다. 즉 F/M비가 순산소법에서 슬러지 침전성에 중요한 영향을 미침을 확인 할 수 있었다. 하지만 pH가 6이하 일 때는 오히려 MLSS농도가 증가 할 수록 SVI도 증가하는 경향을 보였다.

Figure 3.은 pH에 따른 SVI를 나타낸 그림이다. SVI는 pH 6이하에서 200이상으로 나타나고 pH 7이하에서는 100이하로 슬러지 침전성이 좋음을 확인하였다. 이로부터 낮은 pH는 fungi의 성장에 유리한 조건을 조성해 주므로 pH값의 제어가 아주 중요하다.

Figure 4.는 DO농도와 SVI의 관계를 나타낸 그림이다. SVI 200이상은 DO농도 3ppm 이하에서 나타났지만 이 범위에서의 pH가 6이하인 점으로 보아 이 영향은 pH에 의한 것으로 DO가 슬러지 침전성에 미치는 영향은 거의 없다고 사료된다.

결론

본 밀폐형 순산소 반응기는 COD load가 증가 할 수록 MLSS농도 및 selector, 전체 COD 제거효율, 슬러지 침전성 등이 증가함을 확인 할 수 있었고 pH 조절과 같은 최적조건을 유지하면 anaerobic selector에서 50%이상의 COD제거율과 filamentous microorganism으로 인한 슬러지 bulking을 억제 할 수 있다. 또한 폭기조를 다단으로 설치할 경우 COD load의 변동폭이 크고 난분해성 물질이 많이 포함된 제지폐수에서 높은 COD 제거율을 기대 할 수 있다.

참고문헌

1. Paolo Madoni & Donatella Davoli.: “Testing the control of filamentous        microorganism responsible for foaming in a full-scale activated-sludge        plant running with initial aerobic or anoxic contact zone”, Bioresource        Technology. 60, 43-49(1997).

2. L. Prendl and H. Kroi□.: “Bulking sludge prevention by anaerobic            selector”, Wat. Sci. Tech., 38(8-9), 19-27(1998).